Direct observation of dissolution processes in a microfluidic device designed onto a natural rock surface

Reactive transport processes in porous media are studied in several areas, among which the oil and gas industry. A better understanding of the pore scale processes is required in order to develop models suitable for the core scale and the reservoir scale. Traditionally, porous media studies have been performed in core sample experiments, which, obviously, are both chemically and physically representative of a porous medium. However, core sample experiments do not allow the observation and quantification of processes at the pore scale, which is necessary for a better modeling of reactive transport processes. Some techniques can be employed for pore scale analysis in core sample experiments, but they are complex and expensive. As a result, the employment of microfluidic models of porous media has spread. Microfluidic devices permit the observation and the study of pore scale processes, by coupling them with a microscope and a camera. Nevertheless, classic microfluidic models can mimic only the geometry and the topology of a porous media, but they are not representative of the chemical and physical complexity of a real porous medium, not allowing the quantification of some processes, such as rock dissolution. Some previous studies have gone in the direction of finding a solution to make classical microfluidic devices suitable for the study of rock dissolution, or chemically representative of a real porous medium. However, a definitive result has not yet been reached. In this study, a novel real rock microfluidic device is presented: the rock-in-chip microfluidics, whereby the microfluidic channels are fabricated onto a natural rock. This device aims to be a union between the positive features of both core samples and classic microfluidic devices. In fact, likewise the core samples, it is a good representative of the chemical and physical properties of a real porous medium, being made of real rock. Moreover, similarly to classic microfluidic devices, it allows the observation and quantification of processes at the pore scale. Therefore, it is a possible solution for the studying of reactive transport processes in porous media at the pore scale. In the rock-in-chip microfluidics, the microfluidic channels are directly etched onto a substrate of natural calcite, resulting in a chip with the same geometry as a classic microfluidic device, but the physical and chemical complexity of a real porous medium. The microfluidic channels are sealed with a glass slide on one side and with a polydimethylsiloxane (PDMS) layer on the other one. Moreover, an experimental and analysis protocol for the observation and quantification of the dissolution of the real rock of the rock-in-chip microfluidics is presented. The experimental protocol was previously tested and validated for the application with classic PDMS microfluidic devices. Afterwards, it was applied to the study of the rock-in-chip microfluidics, which was initially characterized in hydraulic conductivity. After that, image processing and image analysis were used for the observation and quantification of the dissolution of the real rock of the rock-in-chip microfluidics. The experiments proved that the rock-in-chip microfluidics could be employed for the observation and quantification of natural rock dissolution, thus validated the experimental protocol as a method for real rock dissolution observation and quantification.

I processi di trasporto reattivo in mezzi porosi sono studiati in diverse aree, tra cui l'industria del petrolio e del gas. Una migliore comprensione dei processi alla scala del poro è necessaria per lo sviluppo di modelli adatti per la scala della carota e la scala di campo. Tradizionalmente, gli studi sui mezzi porosi sono effettuati in esperimenti su carote, che, ovviamente, sono chimicamente e fisicamente rappresentativi di un mezzo poroso. Tuttavia, gli esperimenti sulle carote non consentono l'osservazione e la quantificazione dei processi alla scala del poro, che è necessaria per una migliore modellizzazione dei processi di trasporto reattivo. Alcune tecniche possono essere utilizzate per l'analisi su scala del poro in esperimenti sulle carote, ma sono complesse e costose. Di conseguenza, l'impiego di modelli microfluidici dei mezzi porosi si è diffuso. I dispositivi microfluidici consentono, accoppiandoli con un microscopio e una fotocamera, l'osservazione e lo studio dei processi alla scala del poro. Tuttavia, i modelli microfluidici classici possono imitare solo la geometria di un mezzo poroso, ma non sono rappresentativi della complessità chimica e fisica di un mezzo poroso reale, non permettendo la quantificazione di alcuni processi, come la dissoluzione della roccia. Alcuni studi precedenti sono stati finalizzati al trovare una soluzione per rendere i dispositivi microfluidici classici adatti allo studio della dissoluzione delle rocce o chimicamente rappresentativi di un mezzo poroso reale. Tuttavia, non è ancora stato raggiunto un risultato definitivo. In questo studio, viene presentato un nuovo dispositivo microfluidico in roccia reale: il rock-in-chip microfluidics, nel quale i canali microfluidici sono fabbricati in una roccia naturale. Questo dispositivo mira ad essere un’unione tra le caratteristiche positive sia delle carote che dei dispositivi microfluidici classici. Infatti, come le carote, rappresenta le proprietà chimiche e fisiche di un mezzo poroso reale, essendo costituito di roccia reale. Inoltre, come i dispositivi microfluidici classici, permette l'osservazione e la quantificazione dei processi alla scala del poro. I canali microfluidici sono direttamente incisi su calcite naturale, risultando in un chip con la stessa geometria di un dispositivo microfluidico classico, ma la complessità fisica e chimica di un mezzo poroso reale. I canali microfluidici sono sigillati con un vetrino su un lato e con uno strato di PDMS sull'altro. Inoltre, viene presentato un protocollo sperimentale e di analisi per l’osservazione e la quantificazione della dissoluzione della roccia. Il protocollo sperimentale è stato precedentemente testato e validato per l'applicazione con classici dispositivi microfluidici in PDMS. Successivamente, è stato applicato allo studio del rock-in-chip microfluidics, che è stato inizialmente caratterizzato in conducibilità idraulica. Successivamente, l'elaborazione e l'analisi delle immagini sono state utilizzate per l’osservazione e la quantificazione della dissoluzione della roccia. Gli esperimenti hanno dimostrato che il rock-in-chip microfluidics può essere utilizzato per l’osservazione e la quantificazione della dissoluzione naturale delle rocce, quindi il protocollo sperimentale sviluppato è stato validato come metodo per l’osservazione e per la quantificazione della dissoluzione di rocce naturali.